CN103534225A - 厌氧消化器残留物的有机物和营养物的回收 - Google Patents

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Abstract

处理来自厌氧消化器的污泥以回收一种或多种有高氮含量的纤维或者固体或液体。所述固体或液体能用作肥料。所述纤维能用于植物生长培养基。固体从污泥的液体中分离并且干燥。可以干燥所述固体以生成片状物或球团。回收液体中的氨，并且用于生成浓缩的酸性铵盐溶液。这种溶液可以与固体混合以生成氮增加的固体。所述纤维和固体或液体也能联用以生成增强的植物生长培养基。从液体中除去氨的设备和工艺能系统或单独使用。

Description

厌氧消化器残留物的有机物和营养物的回收
技术领域
本说明书涉及从废料中回收有机物和营养物，涉及仅用厌氧消化或与废水处理厂（plant）联用，涉及从厌氧消化器残留物装置中生成如肥料或堆肥的产物，和涉及从水（如淤泥脱水分离液（centrate））中除去氨的方法。
背景技术
下面的讨论并不承认下面的任何讨论是通常常见的知识或可引用作为现有技术。.
多种有机废料产物包含营养物，所述营养物可能使废料生成有价值的肥料。例如，一些动物肥料和有机污泥或浆料可以直接应用于土地。然而，例如由于涉及相对于营养物含量的大量材料和气味的潜在问题，这个实践局限于在位于废料源附近选择合适的操作。可以处理所述肥料、污泥或浆料以除去较大纤维，物理脱水、部分热干燥、挤出成为固体肥料产物，然后进一步热干燥。然而，由于其高的生物可降解的有机物质含量，这种产物在存储中不稳定，并且易于分解或吸引霉菌。或者，肥料、污泥或浆料可以在厌氧消化器中消化以生成生物气体。所述消化的污泥可以然后作为肥料应用于土地。虽然生成的生物气体可用作燃料，使用消化器污泥作为肥料仍然局限于在废料源附近选择合适的操作。
在活性污泥废水处理厂中，至少从在相关排放规则管辖的废水中除去氨。在这些工厂中，废水活性污泥可以送到厌氧消化器中。来自消化器的污泥（包含消化物（digestate））通常在进一步处置或处理前脱水。可以称为排出水、分离液或滤液的来自脱水设备的液体流，经常返回到主活性污泥工艺中。所述分离液包含氨，从而试图在其送回到主工艺之前，从所述分离液中除去氨。Tim Constantine在2006年WEFTEC会议上发表的名为“North American Experience with Centrate TreatmentTechnologies for Ammonia and Nitrogen Removal（北美用分离液处理技术除去氨和氮的经验）”的论文，提供了已经用于北美设施的除氨技术的总结。
Kemp等的美国专利申请公开号2007/0297953描述了在真空辅助的快速提取（stripping）塔中从水中除去氨的系统。提取之前处理水以除去除固体池（tank）和多价阳离子，并且增加其pH。
Bonde的美国专利号7,416,644描述了采用侧流氨提取（stripping）步骤的发酵罐。在分流器中从发酵的生物质中提取氨。发酵罐的流出液通过所述分流器，而水蒸气注入所述分流器中。
简介
下文试图向读者介绍更详细的描述，而不是限定或定义任何要求保护的发明。
本说明书描述了肥料产物、生成肥料产物的方法、处理厌氧消化器污泥的方法、和包含厌氧消化的废物处理工艺等等。简单说，处理厌氧消化器的污泥以生成通常富集干燥氮的肥料产物，所述产物本文可以称为球团（pellet）或颗粒。
在下面进一步详细描述的处理厂和工艺中，在污泥中，从液体分离固体，并脱水和/或干燥。污泥中的液体包含氨水，所述氨水从脱水或干燥中生成的一种或多种气体或液体中释放。收集这些液体或气体，然后在氨回收系统中处理以生成浓缩的酸化氨盐溶液。相对于消化器污泥中液体而言，这个溶液有更高的氨浓度，降低的碱度和降低的pH。再把酸化铵溶液引入到干燥固体中以生成潮湿球团。例如，通过热气流过所述球团，所述潮湿球团然后在环境中干燥到适当温度下。干燥所述球团后，从球团中残留的液体回收氨作为铵盐。
厌氧消化器污泥比未消化的原料更加稳定，因为其生物可降解固体的浓度降低。然而，厌氧消化器污泥包含用作肥料的矿化的和有机形式的碳和氮，以及其他营养物。然而，所述氮主要以氨水形式存在。通常消化器污泥脱水工艺会因此随着除去水而损失大量的氨。再者，消化的污泥中的液体也有高pH，并且被碱度大量缓冲。鉴于其高pH，通常污泥干燥温度下加热所述脱水的污泥饼块会主要把饼块液体中残留的氨转化成氨气，随着水蒸发而造成氨的更大的损失。
然而，在本文所述工艺和设备中，收集由所述污泥脱水和/或干燥生成的液体、蒸汽或气体中的一种或多种，并且在氨回收系统中加工。在回收系统中，生成氨浓度增加和碱度降低的水或蒸汽，并且与酸混合。由于体积和碱度降低(相对于消化器污泥中的水)，合理量的酸能生成低pH的含氨液体。再者，含有回收氨的液体体积降低到某个点，所述点可以在球团生成工艺中把浓缩的氨水再引入到干燥固体中。鉴于所述固体对存储和运输的稳定特性，所述生成的球团是潮湿的，并且有高的表面积/单位体积，使得通过适当温度下气流干燥能够生成足够干燥的球团。由于低pH下球团的潮湿和适当温度下的干燥，潮湿球团中的氨离子易于作为盐沉淀，所述盐与所述球团一起保留而不是形成氨气。这种方式中，相较仅仅由脱水、干燥和球团化所述厌氧消化器污泥而言，本文所述设备和工艺生成更高氮含量的球团。
本文还描述了从厌氧消化器残留物中回收高营养物含量的纤维、或者固体和/或液体的系统和工艺。所述纤维能用于植物生长培养基。例如以颗粒或片状形式的固体或液体能用作肥料。所述纤维和固体或液体也能联用以生成植物生长培养基。
本文描述了从液体中除去氨的装置和工艺。所述氨依次流过一系列的步骤。在所述步骤的液体中提供了例如空气气泡。同一时间所述阶段中，空气流过所述液体的表面。液面气流的速度大于气泡的速度。
除去氨的装置和工艺能用于所述系统和工艺以从厌氧消化器残留物中回收有高营养物含量的纤维、或固体或液体或两者。或者，除去氨的装置和工艺能用于其他应用，例如从城市废水厂消化器分离液或含有氨的其他废液流中除去氨。除去氨的设备和工艺能与市售酸或氨涤气器联用。
可以联用本文所述的多种系统和工艺的元素。例如，本文所述生成片状物的系统和工艺中产生的固体、液体或蒸汽能用于生成本文所述的球团化的肥料。
附图
图1是装置的工艺流程图，处理污泥以生成肥料球团，与厌氧消化器联用以从废液流中生成污泥。
图2是包含除氨系统的营养物回收系统的工艺流程示意图。
发明详述
图1显示了从污泥，特别是厌氧消化器残留物或消化物B中生成固体肥料产物、球团Q的装置。这个装置与厌氧消化器1联用，所述厌氧消化器1从废液流或原料A中生成消化物B。生成高营养物含量的消化物B的合适消化器原料A的示例包含动物肥料、消费者使用后的食物废料、消费者使用前的食物加工废料、生物燃料加工副产物、农业废料、和城市废水污泥等等。原料A的来源和特性，和可能用于下面所述肥料生成工艺的化学品类型，可以使肥料产物标记为“有机”或与应用规定一致的另一相关术语。所述产物可以称为球团或颗粒。本文使用的这些术语表示很多小(例如1mm-最大尺寸50mm)部分形式的基本干燥产物，但是并不试图把所述产物限定到产物的任意特定的大小或形状。
固体肥料产物的价值通常高于粗废料或液体肥料，因为固体产物有助于以更小的成本和降低的损害，特别是气味损害来运输、存储和使用所述肥料。通常，需要固体肥料产物有基本的营养物（包含氮）浓度。所述产物应该有低浓度病原体，并且是有机稳定的，从而在存储中不分解并且不易于生长霉菌。还有一个优势是产物足够坚硬、均匀尺寸和可通过机械的可流动性，从而能够利用农业和园艺的传统干燥肥料应用设备对产物进行存储、运输和播撒。能够将球团Q的大小和形状制造成满足上述物理需要。下面要详细描述的涉及加工消化物B的步骤试图避免营养物（特别是氮）的损失，反之如果消化物B更简单脱水、干燥和球团化，可能发生所述损失。
比较而言，一些动物肥料和有机污泥和浆液可以不用厌氧消化而脱水，并且然后在除掉大纤维之后热干燥和挤出以生成球团。这种产物不稳定，相反，在存储中易于分解或生长霉菌。相较原料，所述产物的氮含量也显著降低，因为粗废料中存在的大部分可溶的氮在脱水和干燥中丧失，不会整合到所述球团中。
再者，并且对进一步比较而言，肥料、污泥和浆液首先在厌氧消化器中消化，并且然后机械脱水、热干燥和球团化。使用厌氧消化器使得生成生物气体，并且收集能用作电或热生成或两者的燃料。相对于土壤中使有机废料分解成甲烷而言，厌氧消化也降低温室气体排放。所得球团化的污泥会比上面讨论的干燥球团化的粗废料更加稳定，因为所述粗废料中的很多有机化合物在厌氧消化工艺中矿化，并且特别是生物可降解形式碳的浓度显著降低。基于这些原因，对简单球团化有机废料而言，消化所述废液流会是一种改进。然而，球团中的氮含量仍然会较低，因为大部分有机氮会转化成主要在污泥的液体部分中存在的氨。所述氨会再次发生损失，下面详述的原因，首先是在脱水中除去液体部分，并且然后在热干燥工艺中生成氨气。
图1的装置使用消化器残留物生成肥料球团，但是不同于上述替代方法，因为提供了额外步骤以保持消化物B液体部分含有的氮。结果是稳定的肥料球团，但是相较简单球团化所述消化物固体而言，其有增加的氮。所述肥料生成设备可以与所述厌氧消化器分别定位。然而，当所述肥料生成设备与所述厌氧消化器1如图1中共同定位时，减少了移动消化物B或中间产物的需求，电生成的生物气体或废料热能用于肥料生产工艺，并且废料液体流可以有利地回到厌氧消化器1。
如上述，在厌氧消化工艺中，所述有机废料中的营养物部分矿化，或转化成无机形式。有机废液流通常包含挥发性和非挥发性、或惰性固体的组合。在通常可进行厌氧消化的废液流中，挥发性固体可以占固体部分的70-90%。根据挥发性固体的特性，仅仅一部分（通常范围40-80%）可被消化器中的细菌厌氧降解，并转化成甲烷、二氧化碳和水。消化物中残留的固体仍然包含一些碳，并且碳的损失由生产的生物气体来弥补。所述消化物还含有的其他营养物（例如氮、磷和钾）的量通常不变。这些营养物易于在消化中矿化，并且所述营养物的无机物形式可以比有机物形式对植物更加有用。因而，除了有机碳降低造成的更加稳定之外，向土地应用消化物可以对作物提供相较粗废料更有营养的价值。然而，一些矿化营养物是水性的或悬浮的。由于目的是生产干燥产物，需要从消化物液体中分离固体。这个通常由机械分离(脱水)工艺，然后热干燥来完成，意味着在高温例如100℃或更高下干燥。下面进一步讨论这些工艺对营养物磷、钾和氮的效果。
例如肥料中的磷主要作为与特定有机物质相关的有机磷和溶解的非反应性磷（包含有机磷和聚磷酸盐）存在。次要部分是溶解的反应性磷或正磷酸。肥料中存在的磷基本上仍然会在消化器污泥中存在。厌氧消化中，挥发性固体和生物质中包含的有机磷溶解，并且加入到废料中存在的可溶的有机磷中。所述可溶有机磷矿化，并且吸附到颗粒结合的固体上。因为磷不容易形成气体，其易于通过消化留在肥料或其他基质中。污泥中进行的固体分离(脱水)操作可以分级污泥饼块中多至70%的磷，特别是如果用凝结剂扩大所述固体分离工艺。如果仅仅使用脱水絮凝剂，那么约50%磷可以在脱水后留在饼块中。当热干燥饼块以蒸发水时，所述饼块液体部分包含的磷基本会作为固体保留下来。
钾没有高活性，并且在肥料和其他有机浆液和污泥中主要以可溶的形式存在。消化过程中钾基本保留不变，并且其在干燥中不变成气体。在污泥脱水过程中，一些钾会留在去除的液体部分中，并且一些会留在固体部分或饼块的液体中。当所述饼块干燥、水份蒸发时，饼块液体部分包含的钾会作为固体保留下来。
氮可以在原料中作为尿素、氨基酸、蛋白和多种其他形式颗粒和可溶的有机氮的形式存在。厌氧消化过程中，这些有机物形式矿化，并且主要转化成溶解的(水性)氨和铵。通过消化器对废料的总体氮含量几乎没有影响。作为NH3(未离子化的氨气)释放的氮的量可以忽略，但是大部分氮是消化器污泥的液体部分中溶液的NH4(离子化的氨或铵)或氨气，并且小部分氮作为未消化的挥发性固体中的有机氮。消化器污泥的铵含量通常高于粗废料。消化器液体中的氨(NH3气)和铵(溶液中NH4+离子)的相对百分比是pH和温度的函数。较大部分作为温度增加和pH增加的未离子化的氨(NH3气)存在。在消化器中温或嗜热范围中，在35-55℃和pH7.5-8.2下操作，大部分还原的氮以铵离子存在。中温反应器中总体氨浓度通常不允许超过约5000ppm，和嗜热反应器中总体氨浓度通常不允许超过约3000ppm，因为未离子化氨部分对产甲烷生物有毒。因此，通常稀释高固体和高氮含量的肥料（例如家禽肥料）的消化器。
消化物的机械脱水过程中，大部分氮在液体部分中作为可溶的铵除去。饼块部分会仅包含溶于所述饼块液体部分的铵和未消化的挥发性固体中包含的有机氮。然而，特别在用于生产肥料的包含高氮浓度的消化物中，pH可以高达8.2，并且碱度能如CaCO3一样高达8000-20000mg/L。在所述较高pH下，当热干燥所述饼块的温度增加时，饼块水分中包含的大部分铵会变成氨气，并且会随着蒸发水分而从饼块中清除。这进一步降低了干燥固体中的氮含量，并且保留的氮大部分是作物不容易利用的有机N。通过向饼块中加入酸以降低pH，从而试图保留液体中的氮似乎不是节约成本的。饼块中的液体被碱度很好地缓冲，并且需要向饼块加入大量的酸以显著降低pH。
总之，对磷和钾而言，在机械消化物脱水中随着水除去部分但是未必是大部分的营养物，但是热干燥后饼块中保留剩余的营养物。相反，消化物中大部分的氮在机械脱水中随着水除去，并且保留下的大部分的氮在热干燥中作为气体除去。因此，并且由于氮是可争辩的最重要的营养物，在下述工艺中特别注意在产物肥料中保留氮。
图1的工艺和设备从消化物B生产肥料球团Q，或者当与厌氧消化器1联用时，从废液流或原料A生产肥料球团Q。所述工艺把至少部分并优选大部分消化物B中存在的矿化的氮回收为整合到球团Q中的铵盐。相对于仅仅脱水和干燥消化物B，这增加了球团Q中的氮含量，并且提供了对作物容易利用的氮的形式。由于铵盐中的氮起初在消化物B和原料A中存在，根据应用规定，所述球团Q可以作为合格的天然或有机肥料。
图1中，动物肥料或其他消化器原料(A)进入厌氧消化器(1)。消化的污泥或消化物(B)进入机械脱水装置(2)，所述机械脱水装置可以是例如离心、螺旋压缩、带压缩、旋转压缩、或任意其他机械脱水装置。可选地，加入絮凝剂或聚合物(T)以帮助絮凝经消化的固体和增加固体捕获和饼块干燥。所述脱水装置生产饼块(C)，根据使用的消化物和脱水装置类型，饼块(C)的固体含量范围是例如14-30%或更高。所述脱水装置(2)还生产本文称为分离液的液体流(D)，尽管根据使用的脱水装置，使用滤液或压缩液（pressate）或其他词汇可能更合适。所述饼块(C)进入间接热干燥器(3)，所述干燥器可以使用例如生物气体、天然气或电作为能源(V)以从饼块中蒸发水。所述干燥器(3)可以是例如具有蒸汽或热油循环的中空螺杆类型干燥器、盘类型干燥器或压缩类型干燥器等。干燥饼块(K)，尽管不是绝对干燥，可以指消化物(B)上的固体部分。
使用间接封闭的干燥器，从而来自饼块的气体(E)不与燃烧空气或其他气体混合，也不与干燥工艺中的固体可能生成的灰尘混合。在干燥器中从饼块(C)释放的气体(E)会包含从饼块(C)中液体散发的水蒸汽和氨气，这是当所述液体在干燥器(3)中加热时，铵（溶液中的离子）向氨（溶液中的气体）的转变的结果。包含水蒸汽和氨的气体(E)进入冷凝器(10)，例如使用开放环或再循环冷却水(A,B)的间接冷凝器。此处蒸汽变成包含液体水和溶液中氨的冷凝物(U)。需要在高温度（例如90℃或更高）维持冷凝物。所述冷凝物(U)和分离液(D)可以在存储箱中合并，所述箱可以是分离的箱或者氨回收系统(4)的一部分。所述冷凝物(U)的相对高温使得混合液体(D+U)的温度增加到例如约40-45℃，用于后续氨回收步骤。所述混合液体(D+U)可能包含分离液(D)的一些固体，但是可以称作所述消化物(B)的液体部分。
所述混合液体(D+U)流入氨回收系统(4)。所述氨回收系统(4)可以包括例如蒸汽提取器、真空和热的汽提系统、或空气提取器。在氨回收系统中，处理所述混合液体(D+U)以通常与水蒸汽一起释放氨气。收集所述气体/蒸汽混合物并且浓缩作为氢氧化铵(氨水)，加入酸生成酸性铵盐溶液。所述气体/蒸汽混合物可以在加入酸之前浓缩，或者所述氨气和水蒸汽混合物而不用在单独的浓缩步骤下与酸溶液混合。可选地，然后所述铵盐溶液可以进一步浓缩。再可选地，可以向铵盐溶液中加入其他酸以再降低其pH。
尽管可以使用任何形式的氨回收系统，适合生产肥料的高氨含量的分离液(D)也易于有高碱度。例如，在消化器(1)中稀释维持的浓度约5000mg/L氨N的鸡肥料消化器分离液，可以具有16000-20000mg/L的碱度。在消化器(1)中，生物气体中的二氧化碳与铵反应以形成碳酸铵（一种强缓冲体系）。这种分离液(D)很好地缓冲，并且会需要大量的苛性物质以增加pH。因此，一些可以使用苛性物质以驱使从所述混合液体(D+U)释放氨气的氨回收系统，由于高化学品成本，其不如其他系统节约成本。例如，由EEG（Envimac Engineering GmbH）公司生产的一种系统依赖于增加pH超过9.4以驱使液体中的铵成为氨气，并且然后使用对流气体从下降液体中提取氨气。填充的媒介床用于增加顶部喷雾液体的表面积以提高随空气的物质转移。所述空气提取后是酸洗涤器步骤。然而，如上述，需要大量的苛性物质以增加缓冲的混合液体(D+U)的pH。
回收氨的另一个选择是使用蒸汽提取。也可以使用例如来自EEG（EnvimacEngineering GmbH）公司的使用蒸汽的除氨系统。这些方法使用的化学品比空气提取方法少，但是需要的能量比空气提取方法多。蒸汽提取方法在这样的装置中特别有用，其中相对于可用于生产蒸汽的废料能量而言，混合液体(D+U)的流速较低。所述废料能量可以包含某种可用的能量，所述能量是例如来自使用消化装置中生物气体操作的内燃发动机排气的热回收蒸汽发生器或者生物气体或其他不能使用的燃料操作的低压蒸汽锅炉。第一蒸汽脱碳步骤可以用于驱动来自所述混合液体(D+U)的二氧化碳，并且降低其缓冲能力。然后加入一些苛性物质以增加液体的pH，并且应用氨蒸汽提取步骤，其中所述液体滴下通过上升蒸汽的柱。由于流的热量，氨能在更低pH下离开混合液体，并且因此需要更少的苛性物质。氨气与蒸汽形成氢氧化铵(氨水)。然后能把酸加入到氢氧化铵中以形成稳定的铵盐。
另外和可能地优选，氨回收系统(4)的选项使用快速真空蒸馏系统，其中加热和抽真空使铵向氨移动，从所述混合液体(D+U)中提取氨气。所述混合液体(D+U)可以加热到约80℃，并且然后作为雾喷洒到真空下的柱中，使得氨从液体中释放。通过所述柱向真空源入口的空气上升流动中收集所述氨气和一些水蒸汽。在马萨诸塞州伍斯特（Worscester）的热能公司（ThermoEnergy Corporation）生产的RCAST系统中，所述真空源是文丘里喷嘴（venturi nozzle），水或酸溶液通过其再循环。当酸溶液再循环时，收集的气体/蒸汽混合物直接汲取进入酸溶液以生成铵盐溶液，通常同时进行浓缩。
在需要加热的氨回收系统(4)中，引入到干燥器(3)的蒸汽热可以在冷凝器(10)中作为热水(AB)来回收，并且所述热足以进一步把分离液和冷凝物混合物(D+U)的温度增加到约50℃或更高，可能是70-80℃。在氨回收系统中生产的盐根据使用的酸，可以是例如硫酸铵、乙酸铵或柠檬酸铵。特别是硫酸铵可以接受为有用的肥料。
在回收系统(4)中起始生成的铵盐溶液的浓度可以是达到使用所有铵盐溶液会向下述混合器(6)和制球团机(7)中引入太多水的程度。过多的铵盐溶液可以作为液体肥料出售。再者，所述回收系统(4)可以包括铵盐溶液浓缩的步骤。所述铵盐溶液可以浓缩成例如35-45%，在这个浓度所有的铵盐溶液可以用于球团。所述浓度能通过例如热蒸馏、使用气体透过膜或快速蒸发来完成。通过任意这些方法，水蒸汽从盐溶液中生成并除去。一种合适的系统是热能公司（ThermoEnergy Corporation）生产的CAST系统，是一种改良的快速蒸发系统。
总之，根据使用的氨回收系统(4)，从混合液体(D+U)通过引入热或蒸汽(S)以增加温度，和/或加入强碱例如氢氧化钠(W)以增加pH，和/或通过引入真空降低分压以提取氨。对依赖于增加液体温度的氨回收系统而言，需要使用冷凝器(10)中回收的蒸发热，其是来自干燥器(3)中湿饼块的蒸汽(E)除去的水的蒸发热。在氨回收系统(4)中，所述铵转化成氨气，从混合液体(D+U)中释放，并且通常用水或水蒸汽在溶液中捕获，所述水或水蒸汽来自混合液体(D+U)、提取蒸汽或生成真空的再循环液体的一种或多种蒸汽。从冷凝物/分离液流(D+U)释放的氨气与酸(F)反应以形成溶液中的稳定铵盐。加入的酸可以是硫酸、乙酸、柠檬酸等。所得铵酸溶液优选再浓缩到例如35-45%，例如使用抽真空、加热、透气膜或其结合的快速蒸馏以生成浓缩的铵盐溶液(G)。在铵盐浓缩工艺中，优选加入过量的酸以生成低pH的盐溶液，例如5或更少，或3.5–5。
氨回收后，冷凝物/分离液流(D+U)残留物作为氨含量降低的流出物(H)离开回收单位(4)。除氨比率的范围可以是40-90%。氨含量降低的流出物(H)可以排出到下水道，再处理以排出到环境中或再循环到消化器(1)。所述流出物(H)包含一些磷和钾，因而可以再引入到所述消化器(1)中。再者，所述流出物(H)能作为稀释水以降低消化器中固体和氨的含量。例如，在处理鸡肥料的消化器(1)中，需要稀释水以降低肥料中的固体含量，并且降低消化物中氨的浓度，以避免未离子化氨对形成甲烷的细菌(产甲烷菌)的毒性影响。低氨流出物(H)回流到消化器(1)可用于降低需要的新鲜稀释水的量。当使用需要热的氨回收系统时，所述流出物(H)可以在相对高温(例如50-70℃)下离开。使用其作为消化器(1)的稀释水，如果需要的话也贡献当返回到消化器原料(A)稀释液时，在优选温度(例如35-55℃)下操作消化器的有用的热。
返回到干燥器(3)中，离开干燥器(3)的干燥固体流(K)通常有90-98%固体含量。所述干燥固体(K)能根据使用的干燥器技术，以片状物、颗粒或聚集物离开。所述干燥固体(K)可以在进一步加工前在排出冷却传送带中冷却。所述干燥固体(K)可以通过磨碎器(5)以降低从干燥器(3)出来的颗粒、片状物或其他固体团聚体形式的大小。磨碎的固体(L)进入销钉或其他类型的研磨或混合器(6)。在研磨(6)中，磨碎的固体和铵盐溶液(I)第一部分混合。所得经调整的制球团机原料(M)可以有例如65-75%固体的固体含量。研磨(6)均化和调整材料以使其引入到成粒机，例如盘或板（pan）式制球团机(7)。在制球团机(7)中，使用喷嘴引入剩余的铵盐溶液(J)，例如1030%铵盐溶液(G)。通过板（pan）式制球团机(7)旋转作用形成的颗粒上喷洒加入的液体作为结合剂以帮助形成颗粒。在替代工艺配置中，可以使用挤出器而不是盘式成粒机(7)。所述挤出器使用正向替换泵或压力以驱使经调整的材料从研磨(6)通过挤出模头。
由于与铵盐溶液(I+J)一起加入的水分，生成有约60%-70%固体含量的粒状或挤出的潮湿(或“生坯（green）”)球团(N)。铵盐变成潮湿球团(N)的部分，增加了其氮含量和轻微降低潮湿球团(N)的pH。潮湿颗粒或球团(N)进入干燥器(8)，例如低温带式干燥器，其中引入空气(AA)和热(V)以干燥所述生坯球团(N)中。所述干燥器(8)可以在温度低于90℃下操作，例如60-80℃。低温与低pH联用，特别是如果还用酸性铵盐溶液(G)进一步降低pH，在干燥中使铵向氨气的移动最小化，并且因此使干燥器(8)中氨损失最小化。结果，在干燥球团(0)中，与铵盐溶液(G)引入的氨的大部分作为固体保留。所述球团(0)可以有小的标称直径，例如1-4mm，以提供大的表面积以进一步在低温下用热空气有效直接干燥。除去水分并且所述生坯球团获得强度。离开的干燥球团(0)有90-92%固体含量。
可选地，尺寸筛网(9)在特定尺寸范围内分级所述干燥球团(0)。尺寸过小和尺寸过大的球团(P)可以进入进料磨碎器(5)，其中它们被磨碎并且与固体(K)混合离开干燥器，以进料所述调整研磨(6)。保持特定大小范围筛选的球团，例如保持1mm-4mm筛选的球团，作为最终球团(Q)离开筛网分级器(9)。运输设备例如链斗升降机可以输送最终球团(Q)到装袋单位(11)，所述装袋单位可以是例如料斗、灌装头数和天平(11)。所述最终球团(Q)可以在例如1吨超大袋子(R)中装袋以存储和分配。或者，最终球团(Q)能在较小袋子例如5–50磅袋子中装袋以分配到零售店。
带式干燥器(X)排出的空气可以包含灰尘，并且可以用于旋风器(12)，其中除去收集的灰尘(Z)并且送到调整研磨(6)中。向大气排出的清洁空气(Y)有低含量的微粒。可选地，在对颗粒排放具有更严格限制的地方，可以在旋风器(12)后使用堆袋室。
例如，根据以干质量为基准计的计算，应用上述工艺以消化家禽肥料会生成有超过8%氮浓度的球团。经比较，计算中的粗肥料有4%氮含量。为了进一步比较，简单脱水和干燥相同消化物会造成不多于3.5%氮的球团。尽管任意氨回收都是有利的，对很多原料而言，通过从溶液中沉淀的铵盐加入至少2%（以干质量为基准计）到球团的氮含量中，所述溶液包含来自消化物的液体部分回收的氨。
参照图2，消化器原料(或者称为基质)或者原料的组合(2A)流入到用混合器(22)进行搅拌的厌氧消化器(21)中。所述消化器(21)能以单个或多个步骤设置。根据基质(2A)，消化物(2B)可以包含未消化的有木质纤维素的纤维材料。除了纤维，其可以包含未被厌氧细菌降解的未消化的悬浮和胶态有机物颗粒、无机固体、和在消化物中生长的厌氧细菌。再者，消化物(2B)与污泥、水和溶液中的氨、钾和磷混合。所述颗粒固体也可以有有机氮和磷。
消化物(2B)指向固体分离器(23)。根据基质和消化器(21)类型和混合系统，消化物污泥的固体含量可以是例如3-9%变化。所述分离器(23)优选是有开口大于400微米但是小于1000微米的螺旋压制机。所述分离器(23)生成固体饼块(2D)和液体部分(2E)，或者称为排出液（reject）、滤液、分离液或压缩液（pressate）。能使用其他固体分离装置，例如筛网（screen）或辊压机。所述饼块(2D)包含纤维和压缩筛选保留的大颗粒和消化物(2B)中小颗粒的小部分，包含一些根据其大小独立地通过所述筛网但是在较大颗粒和纤维基质中捕获和夹带（entrain）的厌氧细菌。饼块固体含量范围可以是例如20-35%。
可选忽略所述固体分离器(23)和处理所述饼块(2D)的步骤，特别是如果消化物(2B)中没有高浓度固体（特别是纤维状固体）时。如果消化物包含纤维状固体，相似的饼块分离和相关步骤可选加入到图1的系统中。
所述饼块(2D)进入堆肥中，例如嗜热需氧堆肥。图2显示了密闭旋转机械筒式堆肥器(216)，其中通过送风机(218)送入大气(2AA)。所显示的堆肥器是旋转筒式类型，但是能使用其他类型的容器内（in-vessel）堆肥工艺，例如有改良的运输容器或塑料农业袋的系统。也能使用开窗堆肥。在堆肥器中，由于细菌和真菌活性，温度增加。堆肥中的细菌分解简单有机化合物，而真菌处理更加复杂的基质。高温对破坏病原生物和不需要的杂草种子是有用的，如果消化器原料包含动物肥料，所述病原生物和不需要的杂草种子会在反刍动物的小肠道中可以存活，并且在厌氧消化工艺中也可以存活。可选地，可以使用病原和/或载体破坏的其他或补充方法。在嗜热温度范围135-160华氏度内更加快速分解。堆肥器排出包含氨、VOC和一些颗粒的污浊空气(2AB)。这种空气可以在例如生物过滤器中处理。堆肥(2AC)可以固化，并且然后用于制备或作为植物生长培养基或混合物的一部分。
合成氮肥可以加入到堆肥(2AC)中以增加其营养物含量和作为土壤增强培养基的价值。或者，如图2所示的工艺示例所述，加入合成的氮不是必需的，因为氮从螺杆压制机(23)滤液(2E)中回收，并且作为高营养物颗粒或片状物(2Y)整合到混合物中。下面描述了生产这种颗粒或片状物的工艺。混合器(278)混合堆肥(2AC)和高营养物颗粒或片状物(2Y)以制备最终土壤培养基产物(2AD)，这能在有消化器并且进行有机物和营养物回收过程的设施中进行。或者，所述颗粒(2Y)和堆肥(2AC)可以分别运输到混合装置，所述混合装置也有装袋和包装装置。第三个选择是分别出售或使用所述堆肥(2AC)和营养物富集颗粒或片状物(2Y)。例如，所述颗粒或片状物(2Y)能用于增强其他工艺制备的堆肥。或者，图1系统生成的球团或中间产物可以原位或在分离的设施中加入到堆肥中。
根据消化器原料(2A)和螺杆压制机(23)筛网的开口大小，螺杆压制机(23)出来的液体部分或滤液(2E)可以有例如2-5%总固体含量。所述滤液(2E)中溶解的固体可以是例如1-1.5%。剩余的固体含量是悬浮固体。压制机(23)中除去的总固体根据消化器原料和螺杆压制机筛网大小而变化，但是通常除去效率是约50%总悬浮固体(TSS)和35%总固体(TS)。与这种分离联用，消化物中的一部分营养物仍作为固体离开压制机。通常饼块中保留的营养物部分是约25%N、50%P、和6%K。
滤液(2E)进入固体分离的第二个步骤。加入凝结剂盐(2G)例如三氯化铁或铝。混合器(24)把凝结物分散在液体流中。加入凝结物形成的微棉絮絮凝之后，流入稀释聚合物(2H)。剪切阀(25)增强稀释聚合物的分散。用凝结物和聚合物配制的液体进入旋转螺杆脱水器(26)。在这种脱水器中，保留约95%的TSS和65-70%的TS。通常液体除去N、P和K的比例是N约35%、P约80%、和P8%。这些营养物与TSS一起保留在饼块(2I)中。所述饼块通常具有20%-22%固体含量。饼块(2I)进入混合物研磨机(214)，其中所述饼块(2I)与从所述滤液(2J)中回收的硫酸铵(217)合并。引入硫酸铵增加了产物的氮含量。
在一些情况中，当操作高速率、短水力停留时间厌氧消化器时，重要的是把细菌生物质返回到消化器中。这增加了消化器中的固体停留时间并且提高了工艺稳定性。脱水和浓缩成饼块(2I)获得的悬浮固体的大部分是厌氧细菌。如果消化器(21)的操作需要或是理想的话，一部分所述饼块(2I1)能回到所述消化器(21)。这能使用正向置换泵完成。可选地，一部分滤液(2E)可以回到所述消化器(21)。在液体含量中流(2E)和(2I)有利地降低，其帮助增加所述消化器中的固体含量。优选流(2I)作为固体再循环的方式，因为相对于流(2E)，其有更较高的固体含量和降低的氨含量。
饼块和硫酸铵(2X)的混合流入到热干燥器(215)。图2所示干燥器是低温直接带式干燥器。也能使用其他干燥器，例如间接中空螺杆、盘、薄膜、直接圆筒等。所述干燥器除去水分并且留下固体。然而，根据混合物pH和干燥器温度，饼块/硫酸铵混合物中的部分氨可以与蒸发水一起挥发和脱离干燥器。通过把pH降低到小于6来最小化氨损失，从而大部分氨以铵离子存在，而不是以挥发的未离子化氨气存在。当在105℃干燥时，pH下降到6使得氨损失小于5%。例如直接圆筒干燥器中更高的干燥温度需要降低pH到5以将损失维持在相同范围内。硫酸(2AL)能配制成硫酸铵的线(217)，以生成更酸性的硫酸铵溶液。或者，氨可以从如图1所示的干燥器蒸汽中回收。
在图2所示的直接低温带式干燥器中，大气(2AE)随着送风机(211)流入。在液体/气体热交换器中加热空气，所述热交换器使用废物热作为在来自在生物气体(2C)或其他废物热源上运行的内燃机闭合回路中的热水(2AH1)。返回的热水(2AH2)在闭合回路中进入废热源。如果可用的废物热不足以符合干燥器的需要，除了废热空气加热器以外使用燃料空气加热器(213)。所述燃料(2AG)能是气体或液体。热空气(2AF)进入带式干燥器(215)。根据当地排放标准，热空气(2Z)可以进行空气处理以除去颗粒和/或进入生物过滤器或热氧化器。热空气(2Z)也能用作其他任意需要热的工艺的热源。所述干燥器(2Y)排出的颗粒或片状物有高含量的氮和磷。所述浓度取决于原料(2A)的N和P含量。
脱水装置(26)排出的滤液(2J)进入氨提取单位(27)，可选称为提取器。所述氨提取单位可以包含在封闭容器例如矩形盒中，并且用低的液体水平操作，例如1m深度或更小，通常约0.6米深度。所述容器的体积根据滤液通量提供约30–40分钟水力停留时间。所述提取器通过培养基气泡漫射来接收液面下扩散空气(2M)，和接收交叉吹扫空气(2L)。所述提取器高于环境压力操作，例如50℃或高于50℃，或者约70℃或高于70℃。所述提取器通过再循环提取器流出物(2O)加热，所述加热用热水离心泵或循环器通过液体/液体热交换器(28)进行。所述热交换器是热水回路(2Q1和2Q2)的部分，并且用作在来自在生物气体(2C)或其他热源上运行的内燃机的热源废料热。热返回(2P)指向提取器(27)的入口。所述提取器用多阶段操作，例如3-5阶段。所述阶段可以用穿孔隔板或其他方式例如堰（weir）或管道连接。在各个阶段置入气泡漫射器。在最后阶段之后，所述提取器有控制所述提取器中水含量的溢流堰。在所述提取器末端的内部储存器使得流出物排气（de-aereate），从而其能对再循环加热泵送，或者作为流出物(2N)进入存储罐。流出物(2N)能用作消化器的稀释水，如果需要或者可选进一步处理后送去处置。在一些情况中，在循环回路中可能需要机械排气（de-aeration）装置。
所述提取器能除去氨，而不加入化学品以增加pH。在70℃，扩散的空气驱动二氧化碳离开液体。在液体表面引入的交叉流动空气进一步降低提取器顶空中二氧化碳浓度。这使得CO2提取增加。所述CO2在滤液中是碳酸氢铵，其从消化工艺中产生，并且处于与提取器顶空中生物气体高CO2含量的平衡中，通常30-45%。提取使pH增加到9.2或更高。在这个高pH和高温下，大部分氨变成滤液中的未离子化的氨气，并且通过液面下扩散的空气离开溶液并进入提取器顶空。
所述液面交叉流动空气降低水和空气界面上提取器顶空中氨的浓度。这是平衡反应。由于液体和其上空气之间的更高的浓度梯度，顶空稀释帮助除去氨。
液面下扩散空气与充满氨和CO2(2K)的交叉流动空气的组合从提取器顶空中排出，所述排出通过由可选下游氨酸洗涤器部分的诱导气流风机(210)生成的轻微负压进行。作为计算示例，包含5000mg/L氨的170gpm消化物滤液流会需要8,000scfm扩散空气和12,000cfm低压交叉流动空气以达到在70℃和pH9.3下90%除去氨操作。在空气出口流(2K)中氨浓度是8000ppm（以体积计）。
通过送风机引入液面下空气。在冷气候下，液面下(2M)空气能在进入提取器前，使用气体/液体热交换器(219)加热。这种热交换器能与再循环热交换器(28)串联放置，从而进入的热水(2AJ1)是再循环交换器(28)的排出水(2Q2)。这能使废热利用更加有效。也能使用其他热源。上面实施例中流速需要的热量是约3MW，并且其部分用于生成蒸发热，因为蒸发丧失小部分水。
交叉流动空气使用比液面下空气更少的能量/流动单位。液面下空气的流速小于交叉流动空气流速的一半。例如所述液面下空气可以是总空气流动的15-45%。顶空可以限制为低的高度或体积，如1m或更小。例如来自燃烧生物气体C的涡轮的废热用于加热空气或进料液体。提取器的高温帮助防止进料液体中的磷酸盐随着pH的升高而沉淀。从提取器排出后对流出物(2N)进行冷却，使这些盐在控制位点如存储罐中沉淀。
负载有氨的空气(2K)进入氨酸洗涤器(29)。所述洗涤器使用有由下而上通过用塑料培养基填充床的空气循环的逆流柱构造，以增强气体/液体质量转移表面积。过量硫酸(2V)的酸浴从顶部流下，并且与空气流中的氨气反应以形成硫酸铵。硫酸铵在洗涤器柱底部的池（sump）中存储。泵送硫酸铵(2T)进行再循环，并且加入硫酸(2U)。根据pH设定点自动控制加入硫酸。过量硫酸能加入到再循环流中以生成酸性铵盐溶液，从而降低干燥器中氨的挥发。这是向产物硫酸铵流注射硫酸(2AL)的替代方法。酸洗涤器(29)生成28-30%硫酸铵溶液，当没有制备过量的硫酸时。硫酸铵流(W)进入混合器(14)以与固体饼块(I)合并，然后进入干燥器(15)。洗涤器排出的低氨浓度的空气(2R)通过风扇(210)移动，并且排出到大气(2S)中。作为向干燥器输送30%硫酸铵溶液的替换，可以使用浓缩系统(217)浓缩所述溶液到68%。所述浓缩器使用废热(2AE1和2AE2)和抽真空(2AI)，并且在约70℃下操作。在一些情况中，相较从干燥器中除去水分，从硫酸铵溶液中除去水分成本低，由其是当用间接干燥器处理时比直接带式干燥器更昂贵。再者，能使用图1相关的氨提取和回收装置。
图2的任何合适的工艺步骤或设备能用于代替图1的工艺步骤或设备。图1的任何合适的工艺步骤或设备能用于代替图2工艺步骤或设备。能使用任意系统以处理废水处理厂的污泥。氨降低的液体能回到废水处理厂。
实施例
在城市废水处理厂的厌氧消化器中处理废料活性的污泥。离心脱水的消化器的污泥生成分离液。向所述分离液加入碳酸氢铵以获得用于处理工业和农业基质的高固体厌氧消化器通常的氨和碱度浓度。没有加入其他的化学品。在如上述除氨装置和工艺中处理所述改良的分离液。在向氨提取器设备进料的分离液和氨提取器装置除去的液体流出物中测量氨和碱度的浓度。实验结果如下表1所示。下表2给出实验中的工艺条件和参数以及设备(反应器)体积。
表1
表2
Figure BDA0000367734520000152
美国临时专利申请号61/443,905；2011年2月17日提交，和61/578,703;2011年12月21日提交，通过引用纳入。

Claims (29)

1.一种处理污泥的工艺，所述污泥包含固体和氨，所述工艺包括以下步骤：
(a)把污泥分离成固体部分和液体部分，所述液体部分包含氨；
(b)处理所述液体部分以生成铵盐溶液；和
(c)把所述固体部分与所述铵盐溶液合并。
2.如权利要求1所述的工艺，其特征在于，所述液体部分具有碱度，所述铵盐溶液呈酸性并且相对于液体部分氨浓度升高、碱度降低。
3.如权利要求1或2所述的工艺，其特征在于，所述工艺包括生成含有所述固体部分和铵盐溶液的片状物、颗粒或球团。
4.如权利要求3所述的工艺，其特征在于，所述工艺还包括干燥所述片状物、颗粒或球团的步骤，所述干燥通过在90℃或低于90℃、或者80℃或低于80℃在球团上吹动空气的方式进行。
5.如权利要求3或4所述的工艺，其特征在于，将所述片状物、颗粒或球团与堆肥合并。
6.如权利要求5所述的工艺，其特征在于，所述堆肥包含在步骤(a)前从污泥中分离纤维。
7.如权利要求1-6中任一项所述的工艺，其特征在于，步骤a)包括物理或机械脱水和/或热干燥。
8.如权利要求1-7中任一项所述的工艺，其特征在于，所述工艺还包括在其与所述固体部分合并前浓缩铵盐溶液的步骤。
9.如权利要求1-8中任一项所述的工艺，其特征在于，步骤b)包括从所述液体部分提取氨气。
10.如权利要求9所述的工艺，其特征在于，步骤b)包括一个或多个以下步骤：i)蒸汽提取液体部分的氨；ii)对液体部分加热和抽真空；和iii)多个阶段中液面下通气和液面空气流动组合处理。
11.如权利要求9或10中任一项所述的工艺，其特征在于，步骤b)包括把酸和提取的氨气混合的步骤，所述酸例如是硫酸、乙酸或柠檬酸中的一种或多种。
12.如权利要求1-11中任一项所述的工艺，其特征在于，在步骤c)中，在干燥器或制球团机器中将所述固体与铵盐溶液合并。
13.如权利要求1-12中任一项所述的工艺，其特征在于，所述污泥在厌氧消化器中生成。
14.如权利要求13所述的工艺，其特征在于，所述工艺还包括在步骤b)中生成氨浓度降低的液体流并使该液体流返回到厌氧消化器或返回到活性污泥废水处理厂。
15.一种处理污泥的设备，所述设备包含：
(a)机械脱水装置和/或干燥器，其配置为接收污泥并且排出固体部分和液体部分；
(b)氨回收系统，其接收液体部分并排出酸性铵盐溶液；
(c)球团生成机器，其接收所述固体部分和酸性铵盐溶液，并且使其合并成为球团。
16.如权利要求15所述的设备，其特征在于，所述设备还包含空气流干燥器以接收和干燥所述球团。
17.如权利要求15或16所述的设备，其特征在于，所述氨回收系统包含蒸汽氨提取器和/或ii)氨气真空萃取器。
18.如权利要求17所述的设备，其特征在于，所述氨回收系统还包含铵盐溶液浓缩器。
19.如权利要求15-18中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包含厌氧消化器以生成所述污泥。
20.一种肥料球团，所述球团包含从厌氧消化器污泥中提取的固体和从酸性液体沉淀的至少2%干重的铵盐，所述酸性液体包含从厌氧消化器污泥中预先分离的液体、蒸汽或气体中提取的氨。
21.一种生成肥料球团的工艺，所述工艺包括把厌氧消化器污泥中提取的经干燥的固体与包含氨的酸性液体合并，所述氨预先分离自厌氧消化器污泥。
22.如权利要求21所述的工艺，其特征在于，所述工艺还包括通过低于或等于90℃的空气流的方式来干燥所述球团。
23.一种工艺，所述工艺包括如下步骤：a)从厌氧消化器污泥中回收纤维和滤液；b)从所述滤液中回收固体和液体；和c)从所述液体中回收氨。
24.如权利要求23所述的工艺，其特征在于，所述纤维用于植物生长培养基。
25.如权利要求24所述的工艺，其特征在于，至少一些所述固体或液体加入到植物生长培养基中。
26.如权利要求23-25中任一项所述的工艺，其特征在于，将至少一些所述固体或液体转化成颗粒或片状形式。
27.一种从液体中除去氨的工艺，所述工艺包括以下步骤：
a)使氨依次流过一系列阶段，b)在所述阶段中，在液体中鼓泡，例如用空气鼓泡，和c)在所述阶段中，使空气吹过所述液体的表面。
28.如权利要求27所述的工艺，其特征在于，所述液面气流的速度大于气泡的速度。
29.一种实施如权利要求27或28所述工艺的设备。
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